页岩气体积压裂机理及水平井分段压裂技术

1中国石油大学（北京）2014年05月28日页岩气体积压裂机理及水平井分段压裂技术2主主要要内内容容一、页岩气开发的特征及方式一、页岩气开发的特征及方式二、体积压裂的内涵二、体积压裂的内涵三、页岩气体积压裂的难点三、页岩气体积压裂的难点四、页岩气体积压裂机理四、页岩气体积压裂机理五、水平井多段压裂技术五、水平井多段压裂技术页岩气体积压裂机理及水平井分段压裂技术3主主要要内内容容一、页岩气开发的特征及方式一、页岩气开发的特征及方式二、体积压裂的内涵二、体积压裂的内涵三、页岩气体积压裂的难点三、页岩气体积压裂的难点四、页岩气体积压裂机理四、页岩气体积压裂机理五、水平井多段压裂技术五、水平井多段压裂技术页岩气体积压裂机理及水平井分段压裂技术4页岩盆地BarnettFayettevilleHaynesvilleMarcellusWoodfordAntrimNewAlbany盆地面积,平方英里5,0009,0009,00095,00011,00012,00043,500深度,英尺6,500-8,5001,000-7,00010,500-13,5004,000-8,5006,000-11,000600-2,200500-2,000净厚度,英尺100-60020-200200-30050-200120-22070-12050-100总有机碳含量TOC,%4.54.0-9.80.5-4.03-121-141-201-25总孔隙度，%4-52-88-9103-9910-14气体含量,立方英尺/吨300-35060-220100-33060-100200-30040-10040-80产水量,桶/天无无无无无5-5005-500单井控制面积,英亩60-16080-16040-56040-16064040-16080原始天然气地质储量,万亿立方英尺327527171,5002376160技术可采资源量,万亿立方英尺4441.625126211.42019.21、美国已开发页岩气田的基本参数一、页岩气开发的特征及方式52、具有开发潜力页岩的特征参数由于页岩特性差别较大，几乎对于上述每单个参数，都能在它的界定值之外找到一些成功开发的案例。所以，上述特征值只能作为参考，而不能作为标准。＞1.4热成熟度(RO)＞2.83×108m3/段原始天然气地质储量＞2%有机质含量(TOC)低膨胀性＞30m厚度粘土＜30%＞0.5psi/ft压力梯度石英或碳酸盐＞40%矿物成分＞3.0×106psi杨氏模量＞2%基质有效孔隙度＜0.25泊松比（静态）生气窗口以下深度＞100nD渗透率含水饱和度＜40%脱水效果要求值参数要求值参数一、页岩气开发的特征及方式63、页岩气与常规气藏开发方式的异同类型渗透率常规气藏0.1mD致密气藏0.001mD~0.1mD页岩气一般100nD-1000nD常规气藏页岩气藏井的类型直井为主水平井为主储层改造类型酸化或酸压较多，也有压裂一般只进行压裂压裂液高粘交联冻胶为主清水压裂液为主生产情况产量较高且稳定，递减较慢初期产量较高，递减速度很快一、页岩气开发的特征及方式74、页岩气与致密气藏开发方式的异同致密气藏页岩气藏矿物组成一般是砂岩储层，粘土较少粘土成分含量较高，25%~45%气体组成游离气游离气和吸附气约各占1/2压裂液滤失滤失较严重滤失较少压裂液反排反排率较高反排率较低，5%~30%生产情况产量递减相对较慢产量递减较快，第一年超过60%相同点：以水平井开发为主，裂缝形态都是复杂的裂缝网络。不同点：一、页岩气开发的特征及方式85、页岩气与煤层气藏开发方式的异同相同点：两者都是以清水压裂为主，都存在吸附气和游离气。不同点：煤层气藏页岩气藏储层深度一般小于1000m1000m~4000m渗流通道充分利用割理一般天然裂缝比较发育气体组成游离气较少，以吸附气为主游离气和吸附气约各占1/2井的类型垂直井、水平井、羽状水平井、U形井等水平井为主，也有少量的垂直井压裂改造一般只有直井进行压裂直井、水平井都需要进行压裂开发工艺排水降压开发气体排气降压开发气体生产情况压后1~2年出现产气高峰压后的初期产量一般是最大产量一、页岩气开发的特征及方式96、井的类型2001年Devon公司将水平井技术应用到Barnett页岩盆地，现在已经成为页岩气开发的主要工艺技术。目前，垂直井一般用作探井，为水平井开发收集地质和开发资料。统计资料显示，水平井的初期产量是垂直井的约5.5-9倍。一、页岩气开发的特征及方式10–套管固井射孔完井–采用滑动套管的套管外封隔器完井–采用衬管的膨胀封隔器完井–无套管裸眼完井–裸眼预置衬管或筛管完井不常用！最普遍！7、完井方式——配合压裂工艺一、页岩气开发的特征及方式11美国美国barnettbarnett页岩气田页岩气田1997～1999～2000～直井+清水压裂清水压裂、重复压裂水平井+清水压裂2006～水平井+同步压裂7、完井方式——配合压裂工艺一、页岩气开发的特征及方式128、压裂液和支撑剂1.气体压裂液2.泡沫压裂液3.交联冻胶压裂液4.纤维压裂液5.清水压裂液压裂液类型：石英砂、覆膜砂、轻质陶粒、超低密度支撑剂等粒径：20/40、40/70和100目支撑剂Barnett地区最早应用的压裂液；现主要应用在水敏较强地层以及异常低压储层6.混合压裂液（清水+冻胶）目前主要的页岩气开发工艺！一、页岩气开发的特征及方式139、页岩气藏造缝原则（1）在地层中井底的主裂缝周围应该连通复杂裂缝;（2）井底的主裂缝应避免弯曲，减少滤失;（3）为压裂液在井底流动提供良好通道；（4）考虑天然裂缝的影响。一、页岩气开发的特征及方式14在Barnett盆地，页岩气井投产后的第一年后，单井平均产量大约递减了55%~60%。在没有新进补充的情况下，整个气田产量会减少30%~35%。一、页岩气开发的特征及方式10、产量递减15•Chesapeake公司对其在Haynesville页岩气田的56口在2008年投产水平井进行了产量统计分析，结果显示，这批井的第一年产量递减达到了85%。•为了保持和提高气田总体产量，只能通过补充新井。一、页岩气开发的特征及方式10、产量递减16生产井的损失——垂直井VS水平井（Barnett）垂直井损失10%的生产井所需的时间为70个月，而水平井损失10%的井所需的时间为40个月。一、页岩气开发的特征及方式10、产量递减171.在目标盆地中划出生产测试区，进行多井生产测试。（五点或九点井网布井；泄流面积小于80英亩；连续生产至少6~12个月）2.从盆地物性较好的核心地区开始开发。（评价产能，不断优化开发方案）3.随着开发规模的扩大，开发面积向周边非核心区的区块扩展。一、页岩气开发的特征及方式11、开发程序及布井方式1811、开发程序及布井方式地区面积/平方英里估算最终储量/亿立方英尺核心区(CoreArea)15482.5外延区1(ExtensionArea#1)22541.5外延区2(ExtensionArea#2)41220.8一、页岩气开发的特征及方式19主主要要内内容容一、页岩气开发的特征及方式一、页岩气开发的特征及方式二、体积压裂的内涵二、体积压裂的内涵三、页岩气体积压裂的难点三、页岩气体积压裂的难点四、页岩气体积压裂机理四、页岩气体积压裂机理五、水平井多段压裂技术五、水平井多段压裂技术页岩气体积压裂机理及水平井分段压裂技术201、体积压裂概念的提出在页岩气压裂裂缝监测和压后效果评估中发现存在和常规压裂不同之处，包括裂缝形态、压裂增产的机理、影响压裂效果的主控因素等。上世纪90年代滑溜水大型压裂在页岩的成功应用，以及微地震监测呈现的规模庞大的复杂裂缝形态，逐渐形成了体体积压裂积压裂的概念：认为对低渗致密储层压裂的目标是形成大规模的网状裂缝，增加储层基质向人工裂缝供油气能力，从而实现增产的效果。21体积压裂是指在水力压裂过程中，使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移，形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络，从而增加改造体积，实现人造“渗透率”，从而提高初始产量和最终采收率。体积压裂技术源于低孔、低渗且天然裂缝发育的页岩气藏开发的实践，是页岩气实现商业开发的首要技术；对于致密气藏、其他非常规气藏的开发具重要的借鉴意义。1、体积压裂概念的提出22常规压裂增产理念主要是在压裂时抑制次生裂缝的扩展，主要形成一条主裂缝，产能主要来自主裂缝的高渗流能力。体积压裂与常规压裂改造理念相反，压裂时通过各种工艺形成更多的裂缝、沟通更大的渗流区域，充分发挥主裂缝和天然裂缝增产优势。常规压裂裂缝形态体积压裂裂缝形态1）体积压裂的理念1、体积压裂概念的提出23利用储层两个水平主应力差值与裂缝延伸净压力关系,当裂缝延伸净压力大于储层天然裂缝或胶结弱面张开所需临界压力,产生分支缝或立体网状裂缝，昀终形成以主裂缝为主干的纵横交错的网状缝系统。形成的网络裂缝，使裂缝壁面与储层基质的接触面积昀大，使得油气从任意方向基质向裂缝的渗流距离昀短，极大地提高储层整体渗透率。2）体积压裂的定义1、体积压裂概念的提出24常规压裂：单一主缝网络裂缝树形网络裂缝单一主缝网络裂缝树形网络裂缝3、压裂改造观念的转变1、体积压裂概念的提出25网络裂缝的三个尺度层次一、支撑裂缝二、自支撑裂缝三、毛细裂隙树形网络裂缝的分形分布3、压裂改造观念的转变1、体积压裂概念的提出26实现大规模的压裂改造体积是成功的关键所在！实现大规模的压裂改造体积是成功的关键所在！ESV(106m3)施工阶段23.2818.7713.5914.2525.9417.8620.71017.6325.8220.11110lowerEagleFordshalegas,lowerEagleFordshalegas,SouthTexasSouthTexas3、压裂改造观念的转变1、体积压裂概念的提出27z内涵一：裂缝以复杂缝网形态扩展，打碎储层，实现人造“渗透率”z内涵二：裂缝发生剪切破坏，错断、滑移。不是单一的张开型破坏z内涵三：储层岩性具有显著的脆性特征，是实现体积改造的物质基础z内涵四：天然裂缝及相互沟通状况，是实现体积改造的前提条件z内涵五：“分段多簇”射孔实施应力干扰是实现体积改造的技术关键2、页岩气体积压裂的内涵28平面对称双翼裂缝非平面对称裂缝（弯曲缝、多裂缝）缝网压裂技术(经典理论下提出，隐含现代理论内涵)体积改造技术(现代理论)张开裂缝剪切裂缝z内涵一：裂缝以复杂缝网形态扩展，打碎储层，实现人造“渗透率”2、页岩气体积压裂的内涵29‹内涵：剪切缝是岩石在外力作用下破裂并产生滑动位移，岩层表面形成不规则或凹凸不平的几何形状，具有自我支撑特性的裂缝。‹条件：当压力低于最小水平应力，产生剪切断裂。‹地质力学特性：形成剪切缝的岩石具有较高的偏应力和强度，是不易发生塑性形变的脆性岩石（杨氏模量高，泊松比低），富含强度较低的岩石结构或天然裂缝。‹剪切裂缝在径向上更为发育。剪切扩张机理图示‹2、剪切缝作用机理„致密气藏——清水压裂、低浓度支撑剂„1、基础实验成为新理念的重要支撑z内涵二：裂缝发生剪切破坏，错断、滑移。不是单一的张开型破坏2、页岩气体积压裂的内涵30•Barnett页岩含石英矿物37.38%，碳酸盐矿物19.13%，粘土矿物41.13%；其中粘土矿物成分不含蒙脱石，以伊/蒙混层为主。北美不同区域页岩地层矿物组分（%）z内涵三：储层岩性具有显著的脆性特征，是实现体积改造的物质基础北美页岩数据库的矿物三角图表明‹1区脆性页岩富含石英‹2区脆性页岩富含碳酸盐‹3、4区塑性页岩富含泥质压裂困难易形成缝网2、页岩气体积压裂的内涵31裂缝=天然气储集空间及渗流通道简单裂缝复杂裂缝异常复杂裂缝Barnett页岩储层页岩在裂缝网络系统不发育情况下，很难成为有效储层z内涵四：天然裂缝及相互沟通状况，是实现体积改造的前提条件„内涵的延伸‹储层的岩石力学特性是确定压裂是否能够形成体积改造的关键‹天然裂缝发育状况，是否产生复杂网状缝，是实施体积改造的基础研究表明：K≤1mD，裂缝网络对产能极限贡献率在10%